一 虚拟机栈概述

1.1 背景

1）由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台的CPU架构不同，所以不能设计基于寄存器的。
2）优点：跨平台，指令集小，编译器容器实现。
3）缺点：性能下降，实现相同的功能需要更多的指令。

1.2 内存中的堆和栈

1）堆管存储，栈管运行。栈是运行时的单位，堆是存储的单位。
2）也就是说：JVM中的虚拟机栈解决的是程序运行时的问题，如程序如何执行，或者说如何处理数据。堆区解决的是数据存储的问题，即数据如何存放，放在什么位置。

1.3 栈的内容

1）JVM的虚拟机栈，早期也叫Java栈。每个线程在创建的时候都会同时创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（StackFrame），对应着一次次的Java方法调用。
2）虚拟机栈是线程私有。
3）栈的生命周期和线程一致。
4）作用：主管Java程序运行，保存着方法的局部变量，部分结果，并参与方法的调用和返回。
5）优点：
①栈是一种快速有效的存储方式，其访问速度仅次于pc计数器
②Java对虚拟机栈的操作只有两个，一是每个方法的调用都伴随着入栈，二方法结束后的出栈
③对栈来说不存在垃圾回收的问题

1.4 栈可能出现的异常

1）Java虚拟机Java虚拟机栈的大小是动态的或者是固定不变的。
2）StackOverflowError：如果采用固定不变的Java虚拟机栈，那么每一个线程的Java虚拟机栈容量可以在线程创建的时候独立选定。如果线程请求分配的栈容量超过了Java虚拟机栈允许的最大容量，Java虚拟机将会抛出一个StackOverflowError异常。
3）OutOfMemoryError：如果Java虚拟机可以动态扩展，并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存，或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的虚拟机栈，那么Java虚拟机栈将会抛出一个OutofMemoryError异常。

二 栈的存储单位

栈的存储单位：栈**帧**

2.1 栈存储什么

1）每个线程都有虚拟机栈，栈里的数据都是以栈帧为基本单位存储的。一个栈帧对应着一个方法。
2）在这个线程上正在执行的每个方法都各自对应一个栈帧（Stack Frame)。
3）栈帧是一个内存区块，是一个数据集，维系着方法执行过程中的各种数据信息。

2.2 栈运行原理

1）jvm直接对Java栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈，出栈。遵守“先进后出”的原则。
2）在一条活动线程上，一个时间点，只会有一个活动的栈帧。即只有一个当前正在执行的方法的栈帧是有效的，这个栈帧被称为当前栈帧，与之相对应的方法就是当前方法，定义这个方法的类就是当前类。
3）执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。
4）如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧就会被创建出来。放在栈的顶端，称为新的当前栈。
5）不同线程中包含的栈帧是不允许存在相互引用的，即不可能在一个栈帧之中引用另一个线程的栈帧。
6）如果当前方法调用了其他方法，方法返回之际，当前栈帧会传回此方法的执行结果给前一个栈帧，接着就是虚拟机栈会丢弃当前栈帧，使得前一个栈帧重新称为当前栈帧。
7）Java方法有两种返回函数的方式：一种是正常函数返回，使用return指令，另一种是抛出异常。不管使用哪种方式，都会导致栈帧被弹出。
image.png

2.3 栈帧的内部结构

  • 局部变量表（Local Varaiable）
  • 操作数栈（Operand Stack）（变量表达式）
  • 动态链接（Dynamic Stack）（指向运行时常量池的方法引用）
  • 方法返回地址（Return Address）（方法正常退出或者异常退出的定义）

  • 一些附加信息

    三 局部变量表

    3.1 简单概述

    1）局部变量表也被称之为局部变量数组或本地变量表。
    2）定义为一个数字数组，主要用于存储方法参数和定义在方法体内的局部变量，这些数据类型包括各类基本数据类型、对象引用(reference)，以及returnAddress类型。
    3）由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题。
    4）局部变量表所需的容量大小是在编译期确定下来的，并保存在方法的Code属性的maximum local variables数据项中。在方法运行期间是不会改变局部变量表的大小的。
    5）方法嵌套调用的次数由栈的大小决定。一般来说，栈越大，方法嵌套调用次数越多。对一个函数而言，它的参数和局部变量越多，使得局部变量表膨胀它的栈帧就越大，以满足方法调用所需传递的信息增大的需求。进而函数调用就会占用更多的栈空间，导致其嵌套调用次数就会减少。
    6）局部变量表中的变量只在当前方法调用中有效。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。当方法调用结束后，随着方法栈帧的销毁，局部变量表也会随之销毁。

    3.2 Slot的理解

    1）参数值的存放总是在局部变量表数组的index0开始，到数组长度-1的索引结束。
    2）局部变量表，最基本的存储单元是Slot（变量槽）。
    3）局部变量表中存放编译期可知的各种基本数据类型（8种），引用数据类型（reference），returnAddress类型的变量。
    4）在局部变量表中，32位以内的类型只占用一个Slot（包括returnAddress类型），64位的类型（long，double）占用两个Slot。

  • byte、short、char在存储前被转换为int。boolean也被转化为int。0表示false，非0表示true。

  • long、double则占据了两个Slot。

5）JVM会为局部变量表中的每一个slot都分配一个访问索引，通过这个索引即可成功访问到局部变量表中指定的局部变量值。
6）当一个实例方法被调用的时候，它的方法参数和方法体内部定义的局部变量将会按照顺序被复制到局部变量表中的每一个slot上。
7）如果需要访问局部变量表中一个64bit的局部变量值时，只需要使用前一个索引即可（比如：访问long，或者double类型变量）。
8）如果当前栈帧是由构造方法或者实例方法创建的，那么该对象引用this 将会存放在index为0 的slot处，其余的参数按照参数表顺序继续排列。

3.3 Slot的复用

1）栈帧中的局部变量表当中的槽位是可以重复使用的。
2）当一个局部变量过了其作用域，那么在其作用域之后申明的新的局部变量就很有可能会复用过期的局部变量的槽位，从而达到节省资源的目的。

  1. public class SlotTest{
  2.     public void test(){
  3.         {
  4.             int a = 10;
  5.             System.out.println(a);
  6.         }
  7.         // 此时b会复用a的槽位
  8.         int b = 20;
  9.     }
  10. }

四 操作数栈

1）每一个独立的栈帧除了包含了局部比哪里表之外，还包含了一个后进先出的操作数栈，也可以被称之为表达式栈。
2）操作数栈，在方法执行的过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或者提取数据，即入栈，出栈。

  • 某些字节码指令将值压入到操作数栈，其余的字节码指令将操作数去除栈，使用它们后再把结果压入到栈中
  • 比如：执行复制，交换，求和等操作

3）操作数栈，主要用于保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量的临时的存储空间
4）操作数栈就是JVM执行引擎的一个工作区，当方法刚开始执行的时候，一个新的栈帧也会随之被创建出来，这个方法的操作数栈是空的。
5）每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译期就定义好了，保存在方法的code属性中，为 max_stack 的值。
6）栈的任何一个元素可以是任意的Java数据类型。

  • 32位的类型占用一个栈深度
  • 64位的类型占用两个栈深度

7）操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是只能通过标准的入栈（push），和出栈（pop）操作来完成访问。
8）如果被调用的方法带有返回值的话，其返回值将会被压入当前栈帧的操作数栈中，并更新PC寄存器中的下一条需要执行的字节码指令。
9）操作数栈中的元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，这由编译器在编译期间进行验证，同时类加载过程中的类型检验截断的数据流分析阶段要再次验证。
10）Java虚拟机的解析引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的是操作数栈。

五 代码追踪

栈顶缓存技术
动态链接
方法返回地址
附加信息
栈的面试相关题目